CN104682789A - 一种应用于双轮机器人的pid 控制器 - Google Patents

Abstract

一种应用于双轮机器人的PID控制器，其组成包括：传感器、计数器、数据采集模块、控制模块、PID处理模块、姿态调整模块。实现***稳定控制的控制器，其实现方法是：（1）初始化加速度传感器和计数器；（2）采集和处理数据；（3）进行状态判断；（4）从状态判断结果选择修正控制策略；（5）输出数据PID处理；（6）实时姿态调整；（7）重复步骤（2）直到达到最终姿态。

Description

一种应用于双轮机器人的PID 控制器

技术领域

本发明涉及的是一种控制器，特别涉及一种在双轮微型摩托车应用的PID控制器。

背景技术

双轮机器人的运动平衡控制问题，是机器人学和机器人技术研究的重要问题，同时也是控制科学研究的重要问题。就运动平衡控制问题而言，双轮机器人类似于倒立摆。实际上，从某种意义上说，倒立摆是双轮机器人的前身，双轮机器人的基本思想和基本原理源于倒立摆。关于倒立摆的研究多年来国内外的研究已经非常成熟，其文献也相当多，然而更重要的是如何将倒立摆有效地应用在移动机器人上。近年来，双轮自平衡机器人引起国外许多研究机构的机器人爱好者极大关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡***相继诞生。

在这种应用背景下的双轮微型摩托车应运而生。双轮微型摩托车实际上是一个单轴的倒立摆***，在其摆轴的方向上，***的速度和加速度不恒为零。该***利用传感器技术和模糊控制原理实时控制***的运动姿态并保证其稳定性和动作的准确性。双轮微型摩托车作为一款能够自我平衡并在无人操作条件下完成的智能摩托车，增强了科技竞技的技术性和娱乐性，并满足了日新月异的科创需求，为用户提供了一个综合试验平台。

双轮机器人的运动平衡控制问题，是机器人学和机器人技术研究的重要问题，同时也是控制科学研究的重要问题。就运动平衡控制问题而言，双轮机器人类似于倒立摆。实际上，从某种意义上说，倒立摆是双轮机器人的前身，双轮机器人的基本思想和基本原理源于倒立摆。倒立摆的相关研究在多年来在国内外已经非常成熟，其文献也相当多，然而更重要的是如何将倒立摆有效地应用在移动机器人上。近年来，双轮自平衡车引起了许多科研机构和机器人爱好者的广泛关注，许多根据不同目的、采用不同设计方案和控制策略的自平衡机器人相继诞生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效改善对双轮移动机器人的电机的控制效果，实现***稳定控制的控制器。

本发明的目的是这样实现的：

一种应用于双轮机器人的PID控制器，其组成包括：传感器、计数器、数据采集模块、控制模块、PID处理模块、姿态调整模块。

所述的一种应用于双轮机器人的PID控制器，其特征是对速度进行控制时需要单片机设置摩托车运动的理想速度，并通过测量元件(光栅码盘)测得摩托车运动的真实速度，将两者进行比较得到一个差值，将该差值作为控制量输入mage16单片机中，单片机根据差值大小产生一个平均电压正比于速度差的PWM波，将PWM波送入驱动电路中驱动直流电机，电机的转速与速度差的大小成正比，方向与该差值正负相关。

所述的一种应用于双轮机器人的PID控制器，其特征是角度控制时互补滤波器是将加速度读出的值经过低通滤波器记为X_acc，陀螺仪读出的角加速度数值积分再通过高通滤波器记为gyro·dt。

所述的一种应用于双轮机器人的PID控制器，其特征是在互补滤波器里，低通滤波器作用是让低频信号通过滤出高频浮动，而高通滤波器的作用和它恰好相反。

初始化加速度传感器和计数器；

采集和处理数据；

进行状态判断；

从状态判断结果选择修正控制策略；

输出数据PID处理；

实时姿态调整；

重复步骤（2）直到达到最终姿态。

本发明还可以包括：

1、对速度进行控制时需要单片机设置摩托车运动的理想速度，并通过测量元件(光栅码盘)测得摩托车运动的真实速度，将两者进行比较得到一个差值，将该差值作为控制量输入mage16单片机中，单片机根据差值大小产生一个平均电压正比于速度差的PWM波，将PWM波送入驱动电路中驱动直流电机，电机的转速与速度差的大小成正比，方向与该差值正负相关。

2、角度控制时互补滤波器是将加速度读出的值经过低通滤波器记为X_acc，陀螺仪读出的角加速度数值积分再通过高通滤波器记为gyro·dt。所以角度值可以通过下式计算：

angle=a(angle+gyro·dt)+(1-a)·(X_acc)

式中a为系数。

3、在互补滤波器里，低通滤波器作用是让低频信号通过滤出高频浮动，而高通滤波器的作用和它恰好相反。对于滤波器来说，设计的关键在于系数a的确定。a可以由下式计算得出：

(1-a)τ=adt

$a=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\τ}+\mathrm{dt}}$

式中：τ为期望时间常数。

本发明的优点：

（1）应用本发明使得双轮机器人具有更高的负载能力、计算和通讯能力，提高完成任务的多样性，进行可靠的自主运动；

（2）本发明提高了动态环境下双轮机器人姿态检测的精度，达到了整车控制精度的控制要求。

附图说明

图1为本发明的软件流程图；

图2为互补滤波器结构图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

一种应用于双轮机器人的PID控制器，其组成包括：传感器、计数器、数据采集模块、控制模块、PID处理模块、姿态调整模块。

其特征是对速度进行控制时需要单片机设置摩托车运动的理想速度，并通过测量元件(光栅码盘)测得摩托车运动的真实速度，将两者进行比较得到一个差值，将该差值作为控制量输入mage16单片机中，单片机根据差值大小产生一个平均电压正比于速度差的PWM波，将PWM波送入驱动电路中驱动直流电机，电机的转速与速度差的大小成正比，方向与该差值正负相关。

其特征是角度控制时互补滤波器是将加速度读出的值经过低通滤波器记为X_acc，陀螺仪读出的角加速度数值积分再通过高通滤波器记为gyro·dt。

其特征是在互补滤波器里，低通滤波器作用是让低频信号通过滤出高频浮动，而高通滤波器的作用和它恰好相反。

结合图1，本发明的处理流程如下：首先是速度控制：对速度进行控制时需要单片机设置摩托车运动的理想速度，并通过测量元件(光栅码盘)测得摩托车运动的真实速度，将两者进行比较得到一个差值，将该差值作为控制量输入mage16单片机中，单片机根据差值大小产生一个平均电压正比于速度差的PWM波，将PWM波送入驱动电路中驱动直流电机，电机的转速与速度差的大小成正比，方向与该差值正负相关。

根据***的运动情况分析结果，将速度控制阶段分为两个主要部分，即低速阶段和高速阶段。

低速阶段由于受陀螺定向原理的影响比较小，***处于一个很不稳定的状态，各个姿态的参数变化迅速，整个控制过程要求灵敏地对***状态进行快速准确地调整。低速直线运动时，车体容易发生倾斜，倾角通过传感器测量后计算得出，并经过控制器采集、调整、校验来控制车舵转角，及时调整中心位置和前进方向，并通过双轮车转弯产生的向心力作用于车体，使车体回复平衡位置。这时，垂直于速度方向的速度和加速度应为零。当车体发生倾斜时，***再次重复以上调整步骤，直至***趋于稳定。***低速转弯时，车舵的转角是一个随弯道弧度改变的变量，车体的倾角不再为零。

在高速阶段时，***由于高速运动受陀螺仪定向作用的影响较大，其姿态变化相对较缓慢，对***的灵敏度要求不高。具体控制过程与低速时相仿。

根据设计结果，两轮智能摩托车能够自主实现高速情况下的自平衡，解决了运动轴一级倒立摆平衡的难题。但低速情况下由于***功能受限，***恢复稳定的能力不理想，有待改善。但是该方案完成了自主摩托车功能的初步试验，为今后的自主循迹、定位和导航奠定了实践基础。

结合图2，互补滤波器是将加速度读出的值经过低通滤波器记为X_acc，陀螺仪读出的角加速度数值积分再通过高通滤波器记为gyro·dt。所以角度值可以通过下式计算：

angle=a(angle+gyro·dt)+(1-a)·(X_acc)  (4-1)

（1）式中a为系数。

该方法不仅有助于抑制噪声和漂移，而且比起单独使用低通滤波器来说，该方法可以产生相对较少的相位滞后。

在互补滤波器里，低通滤波器作用是让低频信号通过滤出高频浮动，而高通滤波器的作用和它恰好相反。对于滤波器来说，设计的关键在于系数a的确定。a可以由下式计算得出：

(1-a)τ=adt

$a=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\τ}+\mathrm{dt}}$

式中：τ为期望时间常数。

τ决定了陀螺仪得出的角速度和加速度计得出的角度之间的权重。若测量信号频率<τ时，说明陀螺仪积分得出的角度与加速度计相比更准确，若测量信号频率>τ时，则说明加速度计得出的角度更准确。在通过互补滤波器得出角度值后，就可以判断摩托车姿态。通过判断结果再选择修正控制策略，最后通过PID对输出数据的处理，实现对摩托车实时姿态的调整。

Claims (4)

1.一种应用于双轮机器人的PID控制器，其组成包括：传感器、计数器、数据采集模块、控制模块、PID处理模块、姿态调整模块。

2.根据权利要求1所述的一种应用于双轮机器人的PID控制器，其特征是对速度进行控制时需要单片机设置摩托车运动的理想速度，并通过测量元件(光栅码盘)测得摩托车运动的真实速度，将两者进行比较得到一个差值，将该差值作为控制量输入mage16单片机中，单片机根据差值大小产生一个平均电压正比于速度差的PWM波，将PWM波送入驱动电路中驱动直流电机，电机的转速与速度差的大小成正比，方向与该差值正负相关。

3.根据权利要求1所述的一种应用于双轮机器人的PID控制器，其特征是角度控制时互补滤波器是将加速度读出的值经过低通滤波器记为X_acc，陀螺仪读出的角加速度数值积分再通过高通滤波器记为gyro·dt。

4.根据权利要求3所述的一种应用于双轮机器人的PID控制器，其特征是在互补滤波器里，低通滤波器作用是让低频信号通过滤出高频浮动，而高通滤波器的作用和它恰好相反。